硅光电池基本特性的研究
太阳能是一种清洁能源、绿色能源，许多国家正投入大量人力物力对太阳能接收器进行研究和利用。

硅光电池是一种典型的太阳能电池，在日光的照射下，可将太阳辐射能直接转换为电能，具有性能稳定，光谱范围宽，频率特性好，转换效率高，能耐高温辐射等一系列优点，是应用极其广泛的一种光电传感器。

因此，在普通物理实验中开设硅光电池的特性研究实验，介绍硅光电池的电学性质和光学性质，并对两种性质进行测量，联系科技开发实际，有一定的新颖性和实用价值。

[实验目的]
1．测量太阳能电池在无光照时的伏安特性曲线；
2.测量太阳能电池在光照时的输出特性，并求其的短路电流I SC、开路电压
U OC、最大FF
3.测量太阳能电池的短路电流I及开路电压U与相对光强J /J0的关系，求出它们的近似函数关系；
[实验原理]
1、硅光电池的基本结构
目前半导体光电探测器在数码摄像﹑光通信﹑太阳电池等领域得到广泛应用，硅光电池是半导体光电探测器的一个基本单元，深刻理解硅光电池的工作原理和具体使用特性可以进一步领会半导体PN结原理﹑光电效应理论和光伏电池产生机理。

零偏反偏正偏
图 2-1. 半导体PN结在零偏﹑反偏﹑正偏下的耗尽区
图2-1是半导体PN结在零偏﹑反偏﹑正偏下的耗尽区，当P型和N型半导体材料结合时，由于P型材料空穴多电子少，而N型材料电子多空穴少，结果P 型材料中的空穴向N型材料这边扩散，N型材料中的电子向P型材料这边扩散，扩散的结果使得结合区两侧的P型区出现负电荷，N型区带正电荷，形成一个势垒，由此而产生的内电场将阻止扩散运动的继续进行，当两者达到平衡时，在PN结两侧形成一个耗尽区，耗尽区的特点是无自由载流子，呈现高阻抗。

当PN 结反偏时，外加电场与内电场方向一致，耗尽区在外电场作用下变宽，使势垒加强；当PN结正偏时，外加电场与内电场方向相反，耗尽区在外电场作用下变窄，
势垒削弱，使载流子扩散运动继续形成电流，此即为PN 结的单向导电性,电流方向是从P 指向N 。

2、硅光电池的工作原理
太阳能电池能够吸收光的能量，并将所吸收光子的能量转化为电能。

这一能
量转换过程是利用半导体 P-N 结的光伏效应（Photovoltaic Effect ）进行的。

在没有光照时太阳能电池的特性可简单的看作一个二极管，其正向偏压 U 与通过电流 I 的关系式为：
， (1)
(1) 式中，I 0和β是常数。

其中，I 、U 为 P-N 结二极管的电流及电压，k 为 波尔兹曼常数（1.38×10 J/K ），q 为电子电荷量（1.602×10 库仑），T 为绝
对温度， Io 是二极管的反向饱和电流，是理想二极管参数，q
nKT
β=
由半导体理论，二极管主要是由能隙为EC －EV 的半导体构成，如图1所示。

EC 为半导体电带，EV 为半导体价电带。

当入射光子能量大于能隙时，光子会被半导体吸收，产生电子和空穴对。

电子和空穴对会分别受到二极管之内电场的影响而产生光电流。

图1
假设太阳能电池的理论模型是由一理想电流源（光照产生光电流的电流源）、一个理想二极管、一个并联电阻与一个电阻所组成，如图2所示。

图2
图2中，为太阳能电池在光照时该等效电源输出电流，为光照时，通过太阳能电
(1)U o I I e β=-E C
E V
导电带
价电带能隙光子
空穴电子I ph I d
I ph -I d
R s R sh I R L +-U
池内部二极管的电流。

由基尔霍夫定律得：
， （2）
(2）式中，I 为太阳能电池的输出电流，U 为输出电压。

由（1）式可得， ， （3）
假定 和 ，太阳能电池可简化为图3所示电路。

I ph
I d
I
U
图3
这里， 。

在短路时，U ＝0， ；
而在开路时，I ＝0， ； ， （4）
（4）式即为在 和 的情况下，太阳能电池的开路电压 和短路电流 的关系式。

其中 为开路电压， 为短路电流，而I 0 、β是常数。

3、硅光电池的基本特性 (1) 短路电流
图2-3 硅光电池短路电流测试
如图2-3所示，不同的光照的作用下， 毫安表如显示不同的电流值。

即为硅光电池的短路电流特性。

(2)开路电压
1
ln[
1]sc
OC I U I β
=
+∴
()0s ph d sh IR U I I I R +---=(1)s ph d sh sh
R U I I I R R +=--sh R =∞0s R =0(1)
U ph d ph I I I I I e β=-=--ph sc I I =0
(1)0oc
U sc I I e β--=sh R =∞0s R =OC U SC
I
OC U SC I A
PN 结
电极
A
I
I
(a )
(b )
硼扩散层
P型电极
N型硅片
图2-4 硅光电池开路电压测试
如图2-4所示，不同的光照的作用下， 电压表如显示不同的电压值。

即为硅光电池的开路电压特性。

(3) 光照特性
光电池在不同光照度下， 其光电流和光生电动势是不同的，它们之间的关系就是光照特性，如图2-5。

图2-5 硅光电池的光照电流电压特性
(4)伏安特性
如图2-6，在硅光电池输入光强度不变时，测量当负载一定的范围内变化时，光电池的输出电压及电流随负载电阻变化关系曲线称为硅光电池的伏安特性。

图2-6 硅光电池的伏安特性测试
(5)负载特性(输出特性)
光电池作为电池使用如图2-7所示。

在内电场作用下，入射光子由于内光电效应把处于介带中的束缚电子激发到导带，而产生光伏电压，在光电池两端加一个负载就会有电流流过，当负载很小时，电流较小而电压较大；当负载很大时，电流较大而电压较小。

实验时可改变负载电阻RL 的值来测定硅光电池的负载特性。

0.3 0.2 0.1 0
光
生 电 流
/ m A
0.6 0.4 0.2 0
2 000 4 000
短路电流 开路电压
光 生
电 压 /
V 光照度 /Lx
电极
(a)
(b)
SiO2膜
图2-7 硅光电池负载特性的测定
[实验仪器]光具座、滑块、白炽灯、太阳能电池、光功率计、遮光罩、电压表、
电流表、电阻箱、导线等
[实验内容]
1. 在没有光源（全黑）的条件下，测量太阳能电池正向偏压时的I －U 特性（直流偏压从0—3.0V ）。

（1）设计测量电路图，并连接。

图1
（2）利用测得的正向偏压时I －U 关系数据，画出I-U 曲线并求出常数q nKT
β=和0I 的值。

2、在不加偏压时，用白色光源照射，测量太阳能电池一些特性。

注意此时光源到太阳能电池距离保持为20cm 。

（1）设计测量电路图，并连接。

图2
（2）测量电池在不同负载电阻下，I 对U 变化关系，画出I －U 曲线图。

（3）求短路电流SC I 和开路电压OC U 。

（4）求太阳能电池的最大输出功率及最大输出功率时负载电阻。

（5）计算填充因子max SC OC FF P I U
3、测量太阳能电池的光照效应与光电性质。

在暗箱中（用遮光罩挡光），取离白光源20cm 水平距离光强作为标准光照强度，用光功率计测量该处的光照强度J 0；改变太阳能电池到光源的距离x ，用光功率计测量该处的光照强度J ，求光强J 与位置X 关系。

测量太阳能电池接受到相对光强度J /J 0不同值时，相应的SC I 和OC U 的值。

(1)设计测量电路图，并连接。

(2)测量太阳能电池接受到相对光强度J /J 0不同值时，相应的SC I 和OC U 的值。

(3)描绘SC I 和与相对光强J /J 0之间的关系曲线，求SC I 和与相对光强J /J 0之间的近似关系函数。

(4)描绘OC U 和与相对光强J /J 0之间的关系曲线，求OC U 和与相对光强J /J 0
之间的近似关系函数。

[注意事项]
1．实验测试结果会受到实验室杂散光的影响，使用中尽量保持较暗的测试环境。

2．连接电路时，保持电源开关断开，以免发生触电事故。

3.改变负载电阻，测量相应的负载电流时，适当安排测量点的分布：在估算的最佳负载电阻值附近的测量点应密，其他测量点可疏。

4.由于各台仪器使用的太阳能电池光电转换效率、白炽灯的发射光谱存在一定的个体差异，而且实验仪器所处的环境亮度不尽相同，这类因素均可能导致各台仪器之间测量结果存在一定差异，但并不影响物理规律的反映。

[问题与讨论]
（1）如何确定硅光电池的内阻？其大小与哪些因素有关？
（2）实验时光源的相对强度发生了变化，对测量结果有何影响？
（3）什么是最佳匹配电阻？对给定的硅光电池如何确定其最佳匹配电阻？
参考资料
[1] 杨述武,赵立竹,沈国土.普通物理实验(3)·光学部分[M].高等教育出版社, 2007.12,(02):93-95
[2] 原所佳主编，许振峰副主编.物理实验教程.国防工业出版社,2006年08月第1版. :262-264
[3] 魏锐.太阳能电池的原理及制作[J].教学仪器与实验2006.03,(01):123-125。